mRNA结构的保护伞——5’Cap

mRNA的5’端的帽子结构可以提高其结构稳定性、增强翻译效率以及降低mRNA在细胞中的免疫原性【1】。作为mRNA的重要组成部分，帽子结构可以称得上是mRNA结构的保护伞。那么，接下来我们就来学习一下帽子结构。

• 帽子结构简介

帽子结构的化学本质是mRNA转录过程中发生修饰所形成的位于mRNA 5'端的一个特殊结构，即m7GPPPN结构，又称甲基鸟苷帽子。它是在RNA三磷酸酶，鸟苷酰转移酶，mRNA（鸟嘌呤-N7）甲基转移酶和mRNA（核苷-2’）甲基转移酶共同催化作用下形成的。甲基化程度的不同可形成3种帽子：CAP 0型、CAP 1型和CAP 2型（如图1）。

 
图1.不同位置甲基化形成的帽结构【2】

帽子结构是mRNA翻译起始的必要结构，为核糖体识别mRNA提供了信号，协助核糖体与mRNA结合，使翻译从AUG开始。同时帽子结构可增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’→3’核酸外切酶的攻击。除去天然帽结构，体外转录过程中也多用帽结构类似物提高mRNA结构稳定性，常见的有ARCA和Cap 1结构类似物等。

• 加帽方式及对比

酶法加帽：使用加帽酶进行转录后加帽，最常使用的是牛痘病毒加帽酶（VCE），该反应过程中加帽酶的异源二聚体会导致产量较低，短期内难以放大。特点：先转录后加帽，由于增加质控项目工序繁杂（如图2），加帽率*，但各类酶成本较高。

共转录加帽：使用帽类似物进行共转录加帽，目前常用的帽类似物有两种ARCA（抗-反帽结构类似物）和Cap1帽类似物。有研究表明Cap 1结构能够增强mRNA的翻译效率，从而提高mRNA在转染和显微注射实验中的表达。且随着帽子结构的不断优化，加帽率大幅提升，成本逐渐降低，共转录加帽法越来越受各类学者青睐。特点：一步法加帽，操作简单（如图2），使用Cap 1结构帽类似物，加帽率可达95%，随着帽结构优化研究的深入，成本逐渐降低【3】。

 
图2. 两种加帽方式对比

• 三代帽子类似物及其对比

第二代帽结构传统帽类似物ARCA：Cap 0结构非天然加帽，存在较强免疫原性，加帽率80%左右，转录产量低约1.5mg/ml，成本高。

第三代帽结构Cap1帽类似物:  Cap 1结构模仿天然加帽，免疫原性降低，加帽率95%左右，转录产量低约4mg/ml，成本约为ARCA帽类似物的三分之一。

• 爱必信提供几种类型CAP（AG/AU/GG）

• 帽结构5月上新

除以上帽结构，5月初我们即将重磅推出新修饰Cap 1帽结构以及Cap 2帽结构类似物的相关产品，敬请期待。

【参考文献】：

• Fabian M, Nils M, Andrea R. Synthetic mRNA capping[J]. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2017, 13:2819-2832.

• Chen, Yu & Guo, Deyin. (2016). Molecular mechanisms of coronavirus RNA capping and methylation. Virologica Sinica. 31. 10.1007/s12250-016-3726-4.

• Henderson JM, Ujita A, Hill E, Yousif-Rosales S, Smith C, Ko N, McReynolds T, Cabral CR, Escamilla-Powers JR, Houston ME. Cap 1 Messenger RNA Synthesis with Co-transcriptional Clean Cap® Analog by In Vitro Transcription. Curr Protoc. 2021 Feb;1(2):e39. doi: 10.1002/cpz1.39. Erratum in: Curr Protoc. 2021 Dec;1(12):e336. PMID: 33524237.